1 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

STM32 mikrovezérlők programozása ARM Keil környezetben

15. Vezeték nélküli kommunikáció (XBee/ZigBee)

2 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Felhasznált és ajánlott irodalom

Joseph Yiu: Thee Defin�itive Guide To Thee ARM CORTEX-M3

Muhammad Ali Mazidi, Shuje� Che�, Eshragh Ghaemi: STM32 Arm Programmi�g for Embedded Systems

Alexa�der Tarasov: Курс «Штурмуем STM32»

ARM Keil MDK Gettii�g started

STM32F103C8 adatlap és terméki�fo

STM32F103 Family Refere�ce Ma�ual

Varga Attila Károly: ZigBee vezeték �élküli kommu�ikációs szabvá�y

ZigBee Alliance: ZigBee Technical Presentation

Cytron Technologies: XBee Series 2 poi�t-to-poi�tcommu�icatio�

DIGI International: Zigbee RF Modules XBEE2, XBEEPRO2, PRO S2B

DIGI International: XTCU Co�finguratio� a�d Test Utility Softw:are

3 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

ZigBee hálózatok A közepes és �agysebességű adatátvitelhez (ha�g, kép, videó), és PC-s hálózatok

kiszolgálásához számos vezeték �élküli kommu�ikációs szabvá�y áll már re�delkezésre

A sze�zorok és a vezérlő egységek speciális igé�yeit kielégítő vezeték �élküli kommu�ikációs szabvá�yokat a 2002-be� alakult ZigBee Alliance dolgozta ki(„Egy�szerűen működő vezeték nélküli vezérlés”)

A ZigBee az IEEE 802.15.4 szabvá�yo� alapuló protokoll, amely (elvileg) lehetővé teszi külö�böző gyártóktól származó termékek együttiműködését

4 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Vezeték nélküli kommunikáció az okosott hon projektekben

A ZigBee IOT eszközök fo�tos szerepet kap�ak az okosottiho� megoldásokba�, mi�t vezeték �élküli sze�zorok vagy vezérlők

Ugya�akkor látható az igé�y az átjárásra aLAN vagy WANhálózatokra is

Fo�tos követelmé�ya bizto�ságos(titkosítotti)kommu�ikáció, ami�yilvá�valóa�bo�yolítja (ésdrágítja) az eszközöket

5 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Hogyan működik a ZigBee hálózat?IEEE 802.15.4 az ISM (ipari, tudományos, orvosi)

nem engedélyköteles felhasználású frekvencia-sávokban kommunikálhatnak az eszközök

6 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

IEEE 802.15.4 Adatkeret Formátum Csomago�ké�t legfeljebb 102 bájt adattiovábbítási lehetőséget biztosít

Adatsorre�d számozás lehetővé teszi a csomagok �yomo�követését

Adatkeret elle�őrző jelsorozat (FCS Frame Check Seque�ce) hibadetektálást biztosít

mi�. 16 bájt = 128 bit = 0.512 ms @ 250 kbps

max. 133 bájt = 1064 bit = 4.256 ms @ 250 kbps

7 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

IEEE 802.15.4 eszköztípusok Teljes funkcionalitású eszköz (FFD - Full fu�ctio� device)

Több eszközzel kommunikálhat

Általában hálózati tápellátású (mindig bekapcsolt állapotban van)

Üzeneteket továbbküldhet (router)

Korlátozott funkcionalitású eszköz (RFD - Reduced Fu�ctio� Device)

Korlátozott funkcionalitás a költségek vagy a komplexitás csökkentése érdekében

Csak a szülőeszközzel kommunikál

Kevesebb memóriát és erőforrást igényel

Alvó (energiatakarékos) módba kapcsolhat

Általában a hálózati végpontként használható

8 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

802.15.4 hálózati topológia modellek Star (csillag) elrendezés jellemzői:

Egyszerű felépítés

Korlátozott kiterjedésű

A koordinátor szűk keresztmetszet lehet

Tree (fa) elrendezés jellemzői:

Kiterjeszti a hálózat elérhetőségét

Szűk keresztmetszet még mindig lehet

Mesh (háló) elrendezés jellemzői:

Komplex felépítés

Nagy megbízhatóság

Tehermentesíti a szűk keresztmetszetet

9 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

ZigBee PAN CoordinatorA ZigBee hálózat koordinátora

„Birtokolja” a hálózatot

kezdeményezi az önszervező hálózat felépülését

megnyitja a hálózatot a csatlakozáshoz

kiosztja a hálózati címeket

kézbesítésig tárolja az üzeneteket

biztonsági központként működhet

Teljes fu�kcio�alitású eszköz – FFD

Hálózati táplálású (mi�dig elérhető)

Egyéb fu�kcio�alitással is re�delkezhet

szenzor

monitor

10 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

ZigBee RouterA ZigBee hálózat csomópontja

Elirá�yítja/továbbítja az üze�eteket

Nem birtokolja vagy i�dítja a hálózatot

Megkeresi a hálózatot, amelyhez csatlakozhat

Teljes fu�kcio�alitású eszköz – FFD

Hálózati táplálású (mi�dig elérhető)

Egyéb fu�kcio�alitással is re�delkezhet

szenzor

monitor

11 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

ZigBee End DeviceA ZigBee hálózat végpontja

Egyedi eszközfu�kció, mi�t pl.

szenzor

monitor

Nem irá�yít/továbbít mástól származó üze�eteket

Nem birtokolja vagy i�dítja a hálózatot

Megkeresi a hálózatot, amelyhez csatlakozhat

Teljes, vagy korlátozotti fu�kcio�alitású eszköz

Elemes táplálású is lehet (alvás fu�kcióval), ezért �em mi�dig elérhető

12 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Xbee eszközök A DIGI International sokféle vezeték�élküli kommu�ikációs

eszközt gyárt Xbee el�evezéssel, a ZigBee, Bluetooth, WiFi, 3G, 4G és 5G hálózatok eszközei számára

Az Xbee eszközök azo�os formafaktorral készül�ek, így a fejlesztés elejé� �em kell eldö�te�i, hogy milye� protokollt és frekve�ciát hasz�áló modult válasszuk

A szabvá�yos hálózatok melletti a DIGI saját, egyedi hálózati protokollt is fejlesztetti (DigiMesh), szélesítve a lehetőségek választékát

Mi a ZigBee kompatibilis Xbee Pro S2 (XBP24-ZB termékcsalád) modulokkal végeztü�k kísérleteket. Meg kell jegyez�i, hogy ezek megjele�ése óta a ZigBee szabvá�y és az Xbee eszközök is tovább fejlődtek, ezért az Xbee Pro S2 modulok új fejlesztéshez �em javasoltak, helyettiük i�kább a Digi XBee 3 Zigbee 3 modullal célszerű fejleszte�i

13 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

DIGI XBee fejlesztői eszközök XCTU – Xbee Configguration & Test Utility

ingyenes, multi-platformos alkalmazás Windows, MacOS és Linux kompatibilitással

Grafikus hálózat megjelenítés az egyszerű és kényelmes hálózatkonfiguráláshoz

Firmware frissítés és konfigurálás

API Frame Builder megkönnyíti az XBee API üzenetcsomagok összeállítását és dekódolását

Digi XBee 3 Zigbee Mesh Kit

Fejlesztői készlet 3 db Xbee 3 ZigBee 3 kártyával, 3 db USB-UART átalakító adapter kártyával és 3 db antennával

(ehhez hasonló, de olcsóbb eszközkészlett el fogunkkísérletezni mi is a továbbiakban)

14 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Egyszerű pont-pont kapcsolat kialakítása Hozzávalók:

2 db XBee Pro S2 modul

2 db 2.4 GHz-es antenna (anya)

2 db Funduino XBee USB adapter

2d USB mini kábel

A számítógépre telepítsük fel az XCTUko�fingurációs platform szoftwvert!!!V(jele�leg az XCTU v.6.5.0 a legfrissebb kiadás)

15 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Az XCTU program kezeléseModulok felismertetése Ko�fingurálás Co�sole Hálózati Eszközök mód �ézet

Ezek ú�. helyi modulok, amelyek USB-UART illesztő� keresztül kapcsolód�ak a számítógéphez

16 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

A modulok felismertetése Csatlakoztatás utá� az XCTU programba� kattii�tsu�k a �agyítós iko�ra (Discover radio modules) V

Jelöljük be mi�degyik soros portot és kattii�tsu�k a Next gombraV

Hagyjuk meg az alapértelmezetti beállításokat és kattii�tsu�k a Finish gombraV

Sikeres felismertetés utá� kattii�tsu�k a Select all, majd az Add selected devices gombokraV

17 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Firmware frissítés (ha szükségesD) A ZigBee hálózatokba� az egyik modul�ak koordi�átor szerepet kell kap�ia

Ha szükséges, frissítsük a finrm:are-t az Update gombra kattii�tva, s a felbukka�ó ablakba� válasszuk ki az XBP24-ZB termékcsaládot, azo� belül a Zigbee Coordinator AT finrm:are legfrissebb kiadását (20A7), majd kattii�tsu�k az Update gombraV

Megjegyzés: Az AT jelzésű finrm:are az ú�. transzparens módú figrmware

18 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Firmware frissítés (ha szükségesD) A második modul router legye�, ehhez az XBP24-ZB termékcsalád Zigbee Router AT

finrm:are legfrissebb kiadását (22A7) telepítsük az Update fu�kcióvalV

Ha a finrm:are frissítéssel végeztü�k, folytassuk a modulok ko�fingurálásávalV

19 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

A modulok konfigurálása PAN ID (Perso�al Area Net:ork ID): 0 és 0xFFFF közöttii, mi�dkét modulra azo�os szám

CH (operati�g cha��el): a 2.4GHz 802.15.4 sáv valamelyik csator�ája (azo�osa� legye�V)

Címzés: mi�de� modul re�delkezik saját MAC azo�osítóval (SH, SL), illetve egy általu�k adotti tetszőleges hálózati azo�osítóval (NI). Az elle�oldali MAC címet (Desti�atio� Address) pedig a (DH,DL) paraméterekkel állítható be

ID PAN ID: 1234CH Operating channel: 14SH: 0013A200 SL: 40C29DBFDH: 0013A200 DL: 40C29DBD

ID PAN ID: 1234CH Operating channel: 14SH: 0013A200 SL: 40C29DBDDH: 0013A200 DL: 40C29DBF

20 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Kommunikációs próba1) Kattii�tsu�k a Termi�ál iko�ra (ko�zol mód)V2) Kapcsolódju�k a hálózatra a COORDINATOR1 modullal V3) Válasszuk le COORDINATOR1 termi�ál ablakátV4) Csatlakozzu�k a ROUTER1 modullal is V

1.

2.3.

4.

Transzparens mód:Amit az egyik modulnál beírunk, azt a másik modul veszi és kiírjaA +++ beírása AT parancsmódba kapcsol, ATCN pedig kilép belőle

ATNI parancs az NI (Network ID)lekérdezésére szolgál

ATCN parancsvisszatérés a Console Módba

Ha eddig sikeresen eljutottunk, akkor az Xbee modulok készen állnak a munkára!

21 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Vezeték nélküli hőmérő Első kísérletü�khöz egy Xbee foglalattial re�delkező Renesas GR-Sakura kártyát

hasz�áltu�k és egy DHT22 hőmérséklet és relatív páratartalom mérő sze�zortEhhez a kártyához a ROUTER1 modult csatlakoztattiuk

A sze�zor kiolvasásához ésaz eredmé�y soros porto� törté�ő kiküldéséhez ír�u�kkell egy kis programot

A COORDINATOR1 modul azUSB adapter kártyá� keresztültovábbra is a számítógéphezcsatlakozzo�V

A számítógépe� egy Processing programmal jele�ítjük meg az eredmé�yt

22 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

További képek az elrendezésről

23 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

DHT22_lazy_log.ino#include <stdint.h>#include "DHT.h"#define DHTPIN 6 // what pin we're connected to#define DHTVCC 7 // must be set to high#define DHTGND 4 // must be set to low #define DHTTYPE DHT22 // DHT-22 (AM2302)

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE,20);

void setup() { pinMode(DHTVCC,OUTPUT); digitalWrite(DHTVCC,HIGH); // Provides VCC for DHT-22 pinMode(DHTGND,OUTPUT); digitalWrite(DHTGND, LOW); // Provides GND for DHT-22 Serial3.begin(38400); // Xbee module connects to Serial3 UART port delay(500); dht.begin();}

void loop() { float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); if (!(isnan(t) || isnan(h))) { Serial3.print(h,1); Serial3.print(" "); Serial3.println(t,1); } delay(2000);}

GR-Sakura: Arduino kompatibilis, nagy teljesítményű kártyaCPU: RX63N 32 bitesRAM: 128K, ROM: 1 MUSB device/hostEthernet 100/10 MbpsMicro SD slotXbee ready

24 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

IDE for GR 1.0.8 A fejlesztői re�dszer az Ardui�o IDE-re haso�lító

IDE for GR volt, amely offlii�e hasz�álható és i��e� tölthető le: IDE for Gadget Re�esas

A másik lehetőség a GR-Sakura Web Compiler o�li�e fejlesztői re�dszeré�ek a hasz�álata, amelyhez itti találu�k egy rövid leírást:GR-SAKURA Special Project: Sketch o� Web Compiler

A programletöltés USB-� keresztül törté�ik:A RESET gomb meg�yomásakor a kártya USB flaash drive-ké�t látható a számítógép felől, melybe egyszerűe� belemásoljuk a lefordítotti programot

A kártya tápellátásához 5 V-ot kell biztosíta�ipo:er ba�kból vagy 5V-os dugasztápból

25 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

A vezeték nélküli kapcsolat ellenőrzése A számítógéphez kapcsolódó COORDINATOR1 modul és az XCTU program segítségével

elle�őrizzük, hogy a DHT-22 sze�zorral mért adatok megérkez�ek-e

Az alábbi ábrá� közelítőleg 34 % relatív páratartalom és 28.4 ºC hőmérséklet értékek érkezése látható

26 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Grafikus megjelenítés Processing segítségével A program eredeti változatát

Rajendra Bhatt dolgozta ki DHT11-hez

A DHT-22 miatti az i�put kezelését és a páratartalom kiírását módosíta�i kelletti

A StartLog gombra kattii�tva �aplózás is kérhető

Az alábbi sor hatására automatikusa� a legkisebb sorszámú soros portot �yitja meg: Dev_Board = new Serial(this, Serial.list()[0], 38400);

27 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

XBee modulok API módban Az AT módba� működő modulokkal csak po�t – po�t kapcsolatot építhetü�k ki

Hálózat kialakítást vagy az XBee modulok további lehetőségei�ek kiak�ázását csak az úgy�evezetti API módban tudjuk megvalósíta�i. Ehhez a moduljai�k finrm:are-ét le kell cserél�i az XCTU alkalmazás Update fu�kciójával: ZigBee Coordi�ator API, ZigBee Router API, illetve ZigBee E�d Device API finrm:are-t kell választa�i

28 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Modulok konfigurálása API módban API módba� a DL, DH paraméterek�ek �i�cs szerepe, a címzés az üze�etcsomagok része

Bár �em kötelező, de célszerű a hálózat azo�osítóját beállíta�i (PAN ID). A modulok e�élkül is tud�ak csatlakoz�i, de fölöttiébb kí�os le��e, ha egy eszköz a szomszéd lakás hálózatára kapcsolód�a a mi koordi�átoru�k helyetti

Router eszközök�él a JV és JN paramétereket állítsuk E�abled (1) módbaV

Mi�degyik modul�ál állítsuk be egységese� az AP paramétert (alapértelmezettie� 1)

1: API mode enabled

2: API mode enabled with escaping

Állítsuk be a soros porti sebességet (esetü�kbe� 38 400 baud)V

Ha végeztü�k mi�de� modul ko�fingurálásával, akkor moduljai�k késze� áll�ak az API módú hasz�álatra

29 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

A hálózat felépülése és felderítése Az XCTU programba� csak a COORDINATOR1 modult csatlakoztatjuk, s a Network mode

lapot kiválasztva, azo� belül kattii�tsu�k a Scan gombraV

A hálózat grafinkus elre�dezéését az egérrel, illetve a Layout választógombbal módosíthatjuk

A koordi�átor mi�dig 0000 címetkap

Esetü�kbe� a kétrouter egymássalis kommu�ikál

Egyikük B26E, amásik F55A ID-t kapotti a hálózatfelépülése sorá�

30 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Teszt funkciók az XCTU programban A COORDINATOR1 modul „Discover radio �odes i� the same �et:ork” gombjára kattii�tva

derítsük fel az elérhető modulokat, s ezutá� hasz�álhatjuk a Tools me�übe� található teszteket (Range test, Thrroughput test)

A jobboldali ábrá� egyRange testeredmé�ye látható, �ullacsomagvesztés-sel

31 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Hogyan zajlik a kommunikáció API módban? API módba� az üze�etek keretezetti csomagokba� továbbíthatók, például API 1 módba�:

Az adatkeret is stukturált, felépítése az üze�et típusától függ:

Adatküldés RFkapcsolato�keresztül

32 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

API kódok és csomagformátumok

A COORDINATOR1-ből küldött broadcast ATNI parancs lekéri a modulok nevét és címét

ROUTER2 válasza

ROUTER1 válasza

33 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Használjuk az Xbee modulok I/O funkcióit is! API módba� az Xbee modulok szabad kivezetéseit felhasz�álhatjuk a�alóg jelek mérésére,

vagy digitális I/O műveletekre

Az alábbiakba� a ROUTER2 modult ko�finguráltukúgy, hogy 0x2000 (819210) milliszeku�dumo�ké�t jele�tse az AD1 a�alóg, és a DIO4 digitális beme�etek állapotát, s jele�tse a tápfeszültség értékét is, ha kisebb, mi�t amegadotti határérték

Az időzítetti adatküldés aDH, DL párossal megadotticímre törté�ik, vagy 0 cím eseté� a koordi�átormodul kapja meg

Az Xbee modul tehát ö�magába� is felhasz�álhatóV

34 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Használjuk az Xbee modulok I/O funkcióit is! Csatlakoztassuk a COORDINATOR1 modult az

XCTU program Console módjába�, akkor a termi�ál ablakba� láthatjuk a beérkező üze�eteket

Az üze�etek értelmezéséhez vegyük igé�ybe az XCTU segítségétV

Az alábbiakba� bemutatjuk egy üze�etcsomag elemzését, melyet a Tools me�ü Frame I�terpreter eszköze állítota elő a hexadecimálisa� megadottibájtsorozatból

A forráscím alapjá� ez azüze�et a ROUTER2 moduljele�tése DIO4 = High

AD1 = 527Vcc = 0xAD4 = 3248 mV

35 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia

Merre tovább? A továbblépéshez programkö�yvtárakat kell beszerez�i (vagy meg kell ír�i)

az Xbee/ZigBee API felület kezeléséhez

Programkö�yvtárak

XBee library for Digi XBee ZB Modules in API Operation mode (STM32, mbed)

DIGI Xbee ANSI C library

DIGI Xbee Java library

Xbee Arduino library

Hasz�os kö�yvek

Matt hijs Kooijman: Building Wireless Sensor Networks Using Arduino

Robert Faludi : Building Wireless Sensor Networks: With Zigbee, Xbee, Arduino, And Processing

36 Hobbielektronika csoport 2019/2020 Debreceni Megtestesülés Plébánia